微生物基因组学第01讲微生物基因组学

,微生物基因组学,第一部分 微生物基因组学的发展历史和意义,1、基因组和基因组学的定义； 2、从DNA双螺旋到微生物基因组； 3、微生物基因组计划概况和重要意义； 4、几种重要微生物基因组的测序； 5、微生物基因组学网络资源介绍。,教学内容,第二部分 微生物基因组的测序与注释,1、微生物基因组的测序； 2、微生物基因组的注释。,第三部分 微生物基因组学的应用,1、原核生物基因组概述； 2、从微生物基因组学研究基因的进化； 3、微生物基因组的其它应用。,一、基因组和基因组学的定义,基因组是一个相互作用的整体,基因组不仅仅是单个起作用的基因的集合，它还对何时、何地产生这些组分的信息进行整合。比如细菌芽孢的形成，就需要一整套基因高度协调的表达，需要复杂的基因间相互作用的模式来组织合适的反应。因此，基因组包含着对信息的全局性、高度协同的控制，以执行一系列细胞功能。,“了解一个有机体的全部生物学的先决条件 是确定它的完整的基因组序列。” J.Craig Venter (Founder and Chairman of TIGR),什么是“基因组学”？,基因组学(genomics)来源于“genome”这个词,是一门对生命有机体全基因组序列进行分析、比较和注释的新兴学科。 基因组（genome）序列为我们提供了有机体的最基本信息，序列中的基因和调控位点就是该有机体的“零部件”和“运行指令”，同时它还提供该有机体进化方面的线索，序列就自然而然地成为研究诸多新物种的出发点。 基因组学是二十世纪医学和生物学飞跃发展中最激动人心的成果之一，并将为二十一世纪的医学和生物学打下了坚实的基础。,基因组学的定义,基因组一词是1920年由Winkler引入学术界的，它由基因（GENe）和染色体（chromosOME）两个词组合而成，代表完整的单套染色体和基因； 1986年，Jackson Laboratories的Tom Roderick提议用它来命名旨在研究全基因组序列及与之相关高通量（high-throughput）技术的新兴学科； 1987年，Victor Mckusick 和 Frank Ruddle 一起创办了“genomics”杂志，这是第一次“genomics”这个词在科学界得到广泛的应用。,基因组学领域包括DNA测序、在物种内进行基因组多样性的采集以及基因转录调控的研究，即基因组学覆盖了从DNA序列分析到研究生物体对环境干扰的响应这样比较广的范围。 到1990年，E. coli、鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的遗传图谱已相当详细，包括成百上千个定位基因，靠这些图谱几乎可以诞生低精确度的比较基因组学了。 1990S中期，对上述细菌的基因组进行了全序列测定，标志着基因组学时代的到来。,Genomics is the study of the molecular organiza- tion of genomes, their information content, and the gene products they encode. Prescott-Harley-Klein: Microbiology, Fifth Edition,随着基因组和基因组学这两个术语变得流行起来，一系列新的术语也被创造出来，每个新的研究领域都冠以“组学”（-omic)的名称，而被研究的对象则被称为“ 组”(-ome)。例如蛋白质组和蛋白质组学。 一个蛋白质组（proteome)表示某个时刻在一个细胞或生物体中全部的蛋白质组成。其它类似的词还有转录组、代谢组、糖组和变异组。这些新兴的领域能否归到“基因组学”之下，尚有较大的争议。,关于基因组学的范畴,Genomics is a broad discipline, which may be di- vided into at least three general areas.： 1、Structural genomics: is the study of the physical nature of genomes. Its primary goal is to determine and analyze the DNA sequence of the genome； 2、Functional genomics: is concerned with the way in which the genome functions. It examines the transcripts produced by the genome and the array of proteins they encode. 3、Comparative genomics: genomes from different organisms are compared to look for significant differences and similari ties. This helps identify important, conserved portions of the genome and discern patterns in function and regulation. The data also provide much information about microbial evolution, particularly with respect to phenomena such as horizontal gene transfer.,基因组学研究的3大主题和6个层面,基因组学带来研究问题的新视角,新技术的出现伴随着全新的问题以及人类认识生命的新途径。 许多年来，分子生物学方法一直作为一个“还原论”的工具，被用来剖析细胞、理解细胞中各个部分的独立工作方式。 基因组学的研究领域则提出了“综合论”的研究方法。 实际上，今天的分子生物学主要是由基因组测序和功能分析推动的。,目的是理解细胞各个部分如何协同工作？ 一个正在行使功能的基因组是如何 响应环境变化的？ 体内哪些蛋白质发生着相互作用？ 这些问题带来了对生命现象的新认识！,直接获取基因进行研究工作； 通过与已测序基因的比较，预测新基因的功能与 在代谢中的可能作用分析； 通过分析相关基因活性帮助建立细胞中完整的代 谢网络； 疾病诊断与预测；疫苗与药物的开发； 基因进化、乃至物种进化的分析,基因组学提供众多学科全新的起点,二、从DNA双螺旋到微生物基因组,基因组学发展的历史,基因组时代的奠基石： DNA双螺旋结构的提出 Sanger双脱氧末端终止法测序 和DNA自动测序仪的发明 PCR技术 生物信息学软硬件设施的发展 ,（一）近代分子生物学理论与技术的发展 1940S1970S 理论上的三大发现： （1）DNA是遗传物质； （2） DNA的双螺旋结构； （3）遗传信息的传递方式 技术上的三大发明： （1）限制性核酸内切酶； （2）载体技术（i.e., YAC）； （3）逆转录酶,James Watson and Francis Crick,Nature, 1953 Apr 25; 171(4356): 737-738 Molecular structure of nucleic acids: a structure for deoxyribose nucleic acid. WATSON JD, CRICK FH Nature, 1953 May 30; 171(4361): 964-967 Genetical implications of the structure of deoxy- ribonucleic acid. WATSON JD, CRICK FH Nature, 1953 Apr 25; 171(4356): 738-740 Molecular structure of deoxyribonucleic acid. WILKINS MH, STOKES AR, WILSON HR,1962年,2000年,“The precise sequence of the bases is the code which carries the genetic information.”,“碱基的排列 顺序就是携带遗传信息的密码”,“基因是迄今为止最为复杂的程序” Bill Gates,（二）DNA测序技术的诞生与发展 1975，Frederick Sanger双脱氧链终止法； 1977，Maxam和Gilbert 氧化法 （1976年，在英国的Gordon会议 上两个小组同时宣布，但Maxam和Gilbert直到1980年才正式发表研究结果）,1958,1990,1991,1999,Structure of Insulin,1977，Sanger及其同事改进了双脱氧法，在一块4泳道超薄胶上1次可以读出几百个碱基序列； 1977，Sanger研究组完成了第一个全基因组X174噬菌体基因组（5386 bps）测序 ； 1982，该室又完成了噬菌体基因组（48502 bps）测序，这是当时最大的测序工程 ; 而同时期，Maxam和Gilbert的化学法不如Sanger及其同事的酶法简便，很快就被淘汰了。 1985年，加州理工学院（CIT）Hood和Smith用四种荧光染料标记DNA的方法，从而建立了用自动激光仪读取测序胶的结果。,The Sanger Method for DNA Sequencing,1986年6月，第一台自动DNA测序仪在CIT诞生 ； 1987年底，美国Applied Biosystems Inc.采用Hood的技术开发了第一台市售的自动测序仪，每台仪器每天可以测一万到两万个碱基粗序列（raw sequence） ； 近年来，自动毛细管电泳测序仪（Fully automated capillary electrophoresis sequencer），如ABI Prism 3700 ，每台仪器每天可以测出五十万个碱基粗序列 。,ABI Prism 3700 DNA Sequencer,ABI Prism 377 DNA Sequencer,Price: $ 25,000 Euro 25,000,DNA序列分析实验室,1010101010101001010101010011010101010101001010101010010100111000011100000111000001100010101010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000011000100101010100101010101010101001010101010010100111000011100000111000001100010101010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110100111000011100000111000001100010101010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000011000100101010100101010101010101001010101010010100111000011100000111000001100010101010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010